成果名稱

韌性斷裂細觀力學在壓力容器安全技術中的應用

申報單位

名    稱

合肥通用機械研究所壓力容器檢驗站

通訊地址

合肥長江西路888號

郵政編碼

230031

聯 系 人

楊鐵成

電話（區號）

0551-5312800-2679

電子信箱

gmripv@mail.hf.ah.cn

傳真（區號）

0551-5313745

成果完成單位

1.合肥通用機械研究所壓力容器檢驗站

2.浙江大學

3.全國壓力容器標準化技術委員會

成果類型

新技術√       新工藝       新方法       新設計

新產品       新材料       新品種       其  他

成果水平

國際領先     國際先進√     國內領先     國內先進

成果來源

國家計劃     省部計劃√     其  他

成果評價方式

鑒  定√       驗  收       專  利       其  他

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（主要包括：立項背景、成果特點、創新性，成果水平，應用效果及推廣前景等，2000字）

壓力容器是具有泄漏和爆炸危險的承壓設備，廣泛地應用于工農業生產和城鄉居民生活各個領域。一旦發生爆炸或泄漏往往并發火災、中毒等災難性事故，造成嚴重的環境污染，給社會經濟、生產和人民生活帶來損失和危害，直接影響社會安定。

由于冶金、制造和使用中的各種原因，壓力容器一般都帶有各種缺陷，壓力容器發生的泄漏和爆炸事故絕大部分都是由這些缺陷處引發。世界各國有關的壓力容器技術規范都把它們分為平面缺陷和非平面缺陷兩大類，在容器的制造階段執行以質量控制為基礎的驗收準則，對在用壓力容器中的缺陷則根據合于使用的原則進行評定，以決定予以接受、返修或報廢。

各國壓力容器缺陷評定標準中對平面缺陷（裂紋）的評定方法都是在現代斷裂力學的基礎上建立起來的。由于對非平面復合型缺陷（裂紋）破壞還缺乏系統的試驗研究和理論分析，評定標準中對非平面缺陷的規定與質量控制標準類似，帶有一定程度的主觀性。

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介

本課題采用韌性細觀斷裂力學的方法，從材料的韌性斷裂機理方面著手，在含缺陷壓力容器斷裂研究中引入韌性斷裂細觀力學的分析方法和研究成果，課題主要研究內容有：

（1）關于幾種容器鋼韌性斷裂機理的研究

16MnR、BHW35、20g等容器鋼韌性斷裂包括空穴形核、擴張和匯合的過程。Mn、S粒子常成為第一代空穴的形核源，是這些容器鋼中形核空穴的主要夾雜之一。引起材料韌性斷裂的細觀機理有兩種：空穴損傷型和剪切滑移型。在較高的應力三軸度下，這些材料都以空穴型損傷積累至臨界狀態而發生韌窩型斷裂。在較低的應力三軸度下，材料將發生剪切滑移型斷裂，空穴擴張比參量不再適用。使材料斷裂機理的空穴與剪切滑移型之間發生轉換的臨界應力三軸度是一個材料常數。

（2）關于Ⅰ-Ⅱ復合型韌性斷裂特點的研究

通過對細觀斷裂機理的研究，提出了測試Ⅰ-Ⅱ復合型臨界裂尖張開位移的多剖面法和在加載過程中測試裂尖張開位移Ⅰ型分量的印痕法；對四點彎曲、雙軸拉伸、寬板拉伸、模擬容器爆破等多種Ⅰ-Ⅱ型試件的試驗研究表明，Ⅰ-Ⅱ型裂紋受載后裂尖發生鈍化和張開，形成延伸區，它們的斷裂具有韌窩型和集中剪切型兩種基本模式，前者導源于空穴的形核和擴張，后者起因于集中剪切滑移的形式和發展。

（3）關于Ⅰ-Ⅱ復合型韌性斷裂準則的研究

Ⅰ-Ⅱ復合型裂紋有空穴型和剪切滑移型兩種不同的斷裂機理，其擴展方向和起裂條件應按斷裂機理的不同采用不同的分析方法。

裂紋的斷裂模式決定于裂尖區應力三軸度的最大值R_σmax，存在一個材料常數C_σ，當R_σmax＞C_σ時，裂紋出現韌窩型斷裂，當R_σmax＜C_σ時，出現集中剪切型斷裂，韌窩型斷裂方向與加載早期裂尖區的R_σ峰脊線一致。在一條裂紋中有可能同時出現兩種基本斷裂模式，一般情況下，只有一種占主要地位，控制最后的破壞形式。

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在理想塑性材料按真實應力產生塑性變形的強假設的基礎上提出了瞬時滑移線的概念。根據裂尖區的變形具有幾何自相似性的特點。建立了Ⅰ-Ⅱ復合型裂尖區的自相似滑移線場。

（4）關于Ⅰ-Ⅱ復合型裂紋的安全評定方法的建議

失效評定圖法有許多優點，已為工程界廣泛接受，建立Ⅰ-Ⅱ復合型裂紋的安全評定方法應吸收失效評定圖方法的特點。為此，研究中將美國電力研究院（EPRI）針對遵循Ramberg-osgood硬化規律的材料對雙判據法所作的理論闡述推廣到一般的硬化材料，結合Ⅰ-Ⅱ復合型裂紋韌性破壞的特點，提出傾斜裂紋擴展平衡曲線方法的形式和繪制方法，并進而按英國中央電力局（CEGB）的標準提出適用于傾斜裂紋的失效評定圖方法。

本課題在對常用壓力容器用鋼韌性斷裂細觀機理研究基礎上，吸收和利用韌性斷裂細觀力學的研究成果，從材料細觀結構的層次上對現有壓力容器缺陷評定規范中韌性斷裂準則進行深入的探討，系統地進行傾斜裂紋韌性斷裂試驗和韌性斷裂準則的研究，找出了傾斜裂紋尖端細觀損傷斷裂過程與宏觀特征的關系，初步解決了含缺陷壓力容器的韌性斷裂和無裂紋結構的塑性破壞問題，提出的建立傾斜裂紋失效評定圖的建議已被國家標準“含缺陷壓力容器安全評定”所采納，為含傾斜裂紋的壓力容器安全分析提供了理論依據。研究成果達到國際先進水平。

課題的部分研究成果已在中國石油化工股份有限公司等單位壓力容器缺陷評定中成功地得到應用。

由于歷史原因，目前我國仍有相當數量的壓力容器處在帶缺陷運行狀態，本項目的研究成果將在材料細觀結構的層次上對現有缺陷評定規范中韌性斷裂方面進行完善，使缺陷評定的技術手段更加豐富，對于提高我國在用壓力容器運行的安全可靠性，延長設備使用壽命，具有重要的意義，社會經濟效益十分突出。